基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法，系统包括干线系统、阀室系统、沿途监测系统和控制系统。本发明专利技术在明确管道抗氢损伤能力(材料最低氢损伤分压)和氢气聚集分压安全值的基础上，利用流场分析软件进行典型长直管道介质压力和停输时间对停输后体系氢气聚集浓度的影响规律模拟，制定以局部氢分压达到氢气聚集分压安全值为限的安全停输时间标准，并进一步利用管道配置的阀室系统安装沿程监测系统，以实时测量多点的氢气聚集浓度和计算氢气聚集分压，以从停输时间和实时浓度测量这两个角度控制管道间歇性进行指标超限后的排放，以兼顾管道停输安全和减少持续排放。

Safety guarantee system and method of natural gas pipeline containing hydrogen based on hydrogen accumulation control

【技术实现步骤摘要】
基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法
本专利技术涉及一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法。
技术介绍
氢气作为新能源重要发展方向之一，与传统化石燃料相比，其具有热值高、产物不污染环境、来源广泛、可再生的显著优势，被称为未来的清洁能源，将成为人类未来解决日益严峻的能源和环境问题的一条新途径。鉴于我国能源分布的特点，西部地区天然气、风电能、水电能等资源相对丰富，且随着能源利用效率提高，利用天然气附属产品裂解所制氢气、风电能或水电能电解水所制氢气的技术日益成熟且存在市场需求。产出的氢气加入已建天然气管道进行长距离输送，具有氢气资源远程调度或直接提高天然气清洁度的优点，是一种较为高效的氢气利用手段。这类管道称为含氢天然气管道，其氢气掺混浓度一般低于10％(体积分数)，且大多需要复核并满足已建天然气管道的材质要求。氢气在钢制管道中高压输送时，氢损伤是管道安全保障的关键控制问题。通过较为准确地氢气浓度、操作压力、操作温度等综合比选分析后，确定管道材料性能，以保障输送安全。对于含氢天然气管道，若以掺混氢气浓度作为管道选材评价依据，在混氢天然气体系流动状态下是可行的。然而，需要注意的是，氢气的摩尔质量远低于天然气，虽然流动过程中可保证体系介质较好混合，但在管道停输时，管道中留存的氢气-天然气介质将发生较为明显的分层现象，这将导致管道局部氢气分压高于设计工况。尤其对于拟掺混氢气输送(原始氢气浓度小于10％)的已建天然气管道，一般采用较高钢级的管材，一旦发生停输后聚集引起的氢气局部浓度过高，可能引起管道氢损伤风险，因此对于停输后氢气聚集的问题应当引起重视。目前，由于含氢天然气输送为未来热门技术，相关关键技术尚处于研发与分析阶段，前述对于氢气积聚问题的解决技术亦尚无公开报道。因此，为推动含氢天然气管道输送技术发展，提高含氢天然气管道输送的本质安全，结合含氢天然气管道运行和组分分布规律，有必要对基于氢气聚集的安全运行问题开展全面的控制和保障方法研究，并提出可行的实施方案。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点，本专利技术提供了一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法，基于管道停输过程中氢气分布规律和分布浓度的模拟预测，确定不同压力下氢气聚集浓度不超过安全设定浓度的的带压停输时间；采用间隔式停输-泄放模式，在停输且氢气聚集浓度超过对应停输压力安全值后进行短期泄放，保持管道系统介质充分扰动、混合，破坏氢气-天然气分层及降低系统压力，并再次停输，以此循环，最终达到大幅延长允许停输时间、避免介质大量泄放和防止管道氢损伤的效果。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，包括干线系统、阀室系统、沿途监测系统和控制系统，其中：所述干线系统包括连接上游站场和下游站场的干线管道；所述阀室系统为设置在干线管道上的至少两个截断阀室，每个阀室包括干线截断阀和设置在干线截断阀上下游的干线旁路，以及放空管路，在两个干线旁路上均设置有压力变送器和旁路截断阀，在放空管路上设置有放空阀；所述沿途监测系统设置在阀室内，包括取样管路和设置在取样管路上的两个取样截断阀，以及在两个取样截断阀之间设置的气体取样分析设备；所述控制系统为基于系统模拟停输聚集结果与沿途监测系统监测结果比对，对沿线阀室系统放空阀门开关联锁的控制系统。本专利技术还提供了一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障方法，包括如下步骤：步骤一、确定管道抗氢损伤能力(材料最低氢损伤分压)和氢气聚集分压安全值，开展对应管径的长直管道内氢气-天然气体系在不同停输压力下的氢气聚集至分压安全值模拟，获取基于停输压力和安全停输时间的二维版图；步骤二、在全线各处阀室设置沿途监测系统；步骤三、当含氢天然气管道干线需要检修时，远程关闭该段干线上游和下游的临近阀室的干线截断球阀；或当混氢天然气管道干线发生泄漏后，系统自动关闭泄漏位置所在干线上游和下游的临近阀室的干线截断球阀，同时保持旁路截断阀关闭；步骤四、对被截断且停输的干线管道，开启上、下游阀室的两个相邻取样截断阀，启动沿途监测系统，连续进行介质取样分析；当某次取样测试浓度折算的氢分压高于分压安全值或系统停输时间超过模拟的安全停输时间后，开启靠近两个相邻取样截断阀的旁路截断阀，并开启上、下游阀室的放空阀，对位于上、下游阀室之间的干线首尾同时进行压力泄放，直至降压至原停输压力的95％时关闭泄放系统；步骤五、基于步骤四的泄放后系统压力，利用步骤一模拟的数据，拟合该种工况下的安全停输时间；步骤六、循环进行步骤四和步骤五，至管道重新启动或管道停运工况下无氢气聚集损伤风险为止。与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：本专利技术根据含氢高钢级天然气管道选材特点和停输后的聚集规律，结合管道操作运行工况，创新性地提出了一套含氢高钢级天然气管道安全保障系统。该系统在明确管道抗氢损伤能力的基础上，利用流态分析软件进行典型长直管道介质压力和停输时间对停输后体系氢气聚集浓度的影响规律模拟，制定以局部氢分压达到最大氢气聚集分压为限的安全停输时间标准，并进一步利用管道配置的阀室系统安装沿程监测系统，以实时测量多点的氢气聚集浓度和计算氢气聚集分压，以从停输时间和实时测量这两个角度控制管道间歇性进行指标超限后的排放，以兼顾管道停输安全和减少持续排放。本系统的特点具体表现为：(1)设置科学本专利技术基于含氢天然气管道介质特点和高钢级管道输送的经济性原则，聚焦该类管道停输后的介质聚集行为，首先开展针对径向氢气聚集的长直模拟分析，获取相同内径下的初始流速、停输压力和停输安全时间版图，并配置沿线监测系统实时监控多点氢气聚集浓度，协同为管道停输后延迟泄放提供支撑，避免盲目地在停输起始时刻进行介质泄放，亦保障管道停输中避免氢气聚集引起的损伤。(2)经济节能本专利技术采用基于氢气聚集模拟时间和实时检测结果的比对判断原则，对停输后的管道采取超限后再放空的模式，能够有效延长系统的可用停输时间；同时，采取放空引起分层破坏的原理，有效控制放空时间；通过周期性系统判断、放空和停输的循环，最大程度平衡管道安全性和放空经济性。(3)理念先进目前，含氢天然气管道输送尚处于发展阶段，鲜有公开的关于氢气组分在管道停输后的聚集与控制技术研究报道，本专利技术从管道运行安全性控制的角度，提出基于高钢级钢材的安全氢气聚集浓度作为保障对象，应用模拟和实测比对的方法进行泄放控制，并引入泄放过程破坏分层的理念，全面延长管道安全停输时间和降低单位停输时间中的介质泄放量。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1为本专利技术的基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统的示意图。具体实施方式一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，包括干线系统、阀室系统、沿途监测系统和控制系统等。所述干线系统包括连接各站场的干线管道，负责输送含氢天然气。所述阀室系统包括干线截断阀、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，其特征在于：包括干线系统、阀室系统、沿途监测系统和控制系统，其中：/n所述干线系统包括连接上游站场和下游站场的干线管道；/n所述阀室系统为设置在干线管道上的至少两个截断阀室，每个阀室包括干线截断阀和设置在干线截断阀上下游的干线旁路，以及放空管路，在两个干线旁路上均设置有压力变送器和旁路截断阀，在放空管路上设置有放空阀；/n所述沿途监测系统设置在阀室内，包括取样管路和设置在取样管路上的两个取样截断阀，以及在两个取样截断阀之间设置的气体取样分析设备；/n所述控制系统为基于系统模拟停输聚集结果与沿途监测系统监测结果比对，对沿线阀室系统放空阀门开关联锁的控制系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，其特征在于：包括干线系统、阀室系统、沿途监测系统和控制系统，其中：
所述干线系统包括连接上游站场和下游站场的干线管道；
所述阀室系统为设置在干线管道上的至少两个截断阀室，每个阀室包括干线截断阀和设置在干线截断阀上下游的干线旁路，以及放空管路，在两个干线旁路上均设置有压力变送器和旁路截断阀，在放空管路上设置有放空阀；
所述沿途监测系统设置在阀室内，包括取样管路和设置在取样管路上的两个取样截断阀，以及在两个取样截断阀之间设置的气体取样分析设备；
所述控制系统为基于系统模拟停输聚集结果与沿途监测系统监测结果比对，对沿线阀室系统放空阀门开关联锁的控制系统。


2.根据权利要求1所述的基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，其特征在于：所述干线管道为等径含氢天然气管道输送干线，埋地敷设，一端连接上游首站，一端连接下游末站，在干线管道上设置至少两个截断阀室。


3.根据权利要求1所述的基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，其特征在于：所述干线截断阀为电动控制球阀；两个干线旁路分别从干线截断阀的上、下游管道顶部引出，材质与干线管道一致；旁路截断阀为远程电动控制球阀；放空阀为远程电动控制调节阀，放空管道埋地敷设，用于将放空介质引入远端放空火炬。


4.根据权利要求1所述的基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，其特征在于：所述取样管路连接阀室上下游的两个干线旁路，取样截断阀为电动控制球阀，气体取样分析设备为氢气在线色谱检测仪及配套系统。


5.一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊文，汤晓勇，郭成华，谌贵宇，姜放，郭艳林，李天雷，杨帆，施岱艳，陈静，李科，杨宇航，
申请(专利权)人：中国石油工程建设有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51